自1960年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆火星探測器火星一號至今，人類(lèi)先后向火星發(fā)射了數十顆探測器，其中美國通過(guò)歷次火星探測任務(wù)，先后實(shí)現了對其飛掠、環(huán)繞、著(zhù)陸和巡視探測，獲取了大量探測數據，讓人類(lèi)對火星這個(gè)神秘天體有了越來(lái)越深入的認識。
火星探測器家族
火星與地球間距離在8000萬(wàn)至4億千米之間變化，受到發(fā)射能力限制，為盡可能的節省能量，就需要選擇合適的時(shí)機發(fā)射火星探測器。發(fā)射時(shí)機是由地球和火星繞太陽(yáng)運動(dòng)的基本規律所決定的。地球繞日運動(dòng)一周得時(shí)間約為365.242天，火星繞日運動(dòng)一周的時(shí)間約為689.980天。對于地火轉移軌道而言，當地球和火星相對位置關(guān)系滿(mǎn)足圖2時(shí)，發(fā)射所需能量最小，此時(shí)就是最佳發(fā)射時(shí)機，該機會(huì )約每780天（26個(gè)月）出現一次，即火星探測任務(wù)的發(fā)射窗口。利用霍曼轉移軌道（發(fā)射能量要求最?。┚湍苁固綔y器在最佳條件下進(jìn)入環(huán)繞火星飛行的軌道。目前最近的一次地火轉移機會(huì )就在2020年7月至8月，而下一次機會(huì )則就要等到2022年的下半年了。
地火霍曼轉移軌道示意圖
受到飛行距離遠、信號時(shí)延大、飛行動(dòng)態(tài)高、飛行過(guò)程復雜等因素影響，對火星探測器的測控通信與近地、月球探測器在工作頻率、測控通信設備配置、使用模式等方面都有很大不同。今天就讓我們來(lái)了解一下火星探測中天地測控通信設備配置和使用吧。
為了解決遠距離帶來(lái)的各種難題，地面必須采用深空測控設備完成探測器的上行指令發(fā)送、下行數據接收和軌道測量等工作，必要時(shí)還將使用天線(xiàn)組陣技術(shù)，以提高測控性能。深空測控設備通常具備以下主要特點(diǎn)：
天線(xiàn)口徑大：目前國際上用于深空測控的天線(xiàn)口徑最大達到70m；
接收靈敏度高：通常優(yōu)于-200dBW；
系統內部噪聲溫度低：采用低溫制冷等技術(shù)，低至幾十K；
發(fā)射功率高：能夠達到數十乃至數百千瓦；
能夠支持S/X/Ka等多個(gè)頻段的全功能測控。
與地面深空測控設備配合，探測器上也配置了高性能的深空應答機。通常具有以下主要特點(diǎn)：
大口徑天線(xiàn)：高增益天線(xiàn)口徑達到數米，如美國火星勘察軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）上配置的高增益天線(xiàn)口徑就達到了3m；
高性能應答機：接收靈敏度優(yōu)于-150dBm；
高功率發(fā)射機：發(fā)射功率達到幾十、上百乃至千瓦級；
多種類(lèi)型應答機和天線(xiàn)：具備S/X/Ka和UHF頻段等通信能力，適應各任務(wù)階段需求；
中繼通信：配置中繼轉發(fā)器，實(shí)現火星表面探測器數據的中繼高速傳輸。
地面與火星探測器之間的測控通常有兩種方式：
直接通信：地面深空測控設備與探測器測控設備直接建立通信鏈路，完成數據收發(fā)和軌道測量；
中繼通信：地面深空測控設備通過(guò)在軌飛行的中繼星（配置中繼終端）接力，完成與其他探測器（環(huán)繞器或火星表面探測器）的數據收發(fā)和軌道測量。
圖3給出了美國NASA深空網(wǎng)（Deep Space Network，DSN）與其火星探測器之間的兩種通信方式。
圖3NASA深空網(wǎng)與火星探測器的通信方式示意圖
以下讓我們來(lái)了解一下美國好奇號火星科學(xué)實(shí)驗室的通信設備配置和器地通信過(guò)程。
好奇號火星科學(xué)實(shí)驗室于2011年11月26日，在美國佛羅里達州卡那維拉爾角發(fā)射中心利用阿特拉斯Ⅴ運載火箭發(fā)射升空，先后經(jīng)歷發(fā)射段、巡航段、進(jìn)入下降著(zhù)陸（Entry, Descent, and Landing，EDL）段，并于2012年8月6日成功著(zhù)陸于火星蓋爾撞擊坑。
好奇號主要由巡航級、背殼、下降級、漫游器和防熱大底五部分組成，主要利用X和UHF頻段完成控制、監視、測量和導航等工作。好奇號在巡航級、降落傘錐、下降級和漫游器上均配置了測控通信設備；其中，在巡航段、EDL段和火星表面工作期間通過(guò)X頻段與地面深空測控設備通信，在EDL段和火星表面工作期間探測器與環(huán)繞火星軌道器之間的中繼通信通過(guò)UHF頻段完成。
圖 4 火星科學(xué)實(shí)驗室主要組成分解圖
好奇號X頻段對地通信
好奇號下降級和漫游器均配備了1臺X頻段小型深空應答機。見(jiàn)圖5所示。
巡航段使用下降級上的X頻段設備，包括小型深空應答機（Small Deep Space Transponder，SDST）和行波管放大器（Travelling Wave Tube Amplifiers，TWTA），巡視器上的X頻段設備包括SDST和固態(tài)功率放大器（Solid-State Power Ampli?er，SSPA）作為備份；巡航段和EDL最初階段使用巡航級上的X頻段中增益天線(xiàn)（Medium-Gain Antenna，MGA）和降落傘低增益天線(xiàn)PLGA（Low-Gain Antenna，LGA）。MGA增益較大、波束寬度較窄；PLGA的波束寬度較大，增益較小。在任意給定時(shí)段，選擇使用MGA和PLGA中的1副天線(xiàn)。
EDL開(kāi)始時(shí)，首先彈射出連同MGA一起的巡航級，按序選擇PLGA、TLGA（降落傘斜裝低增益天線(xiàn)）和DLGA（下降級低增益天線(xiàn)），此時(shí)僅進(jìn)行下行通信；在傾斜機動(dòng)時(shí)，使用TLGA，以最大限度地保持對地通信鏈路；背板分離時(shí)，降落傘椎體已脫離，TLGA也隨之舍棄。剩余的動(dòng)力下降過(guò)程利用DLGA保持下行鏈路，當背板分離時(shí)DLGA開(kāi)始發(fā)送信號。
漫游器著(zhù)陸時(shí)，繩索被切斷，下降級飛離。由于SDST、TWTA和DLGA均位于下降級上，因此無(wú)法有效利用這些設備，同時(shí)此刻地面深空測控設備對漫游器已不可見(jiàn)。巡視器的X頻段測控設備在EDL結束后首次使用。
圖 6 火星著(zhù)陸過(guò)程示意圖（好奇號火星科學(xué)實(shí)驗室
好奇號UHF頻段通信
UHF頻段（Ultra High Frequency，UHF）主要用于好奇號與火星環(huán)繞器之間的中繼數據交互，進(jìn)而由環(huán)繞器將數據轉發(fā)地面。前向鏈路頻率范圍435 —450 MHz，返向鏈路頻率范圍390—405 MHz。好奇號EDL期間，所有三個(gè)UHF天線(xiàn)都要使用：從巡航級分離到背板展開(kāi)期間使用PUHF天線(xiàn)（降落傘UHF天線(xiàn)），動(dòng)力下降期間使用DUHF天線(xiàn)（下降級UHF天線(xiàn)），空中起重機工作期間及其后（從著(zhù)陸后1min至火星表面任務(wù)結束）使用漫游器上的RUHF天線(xiàn)（下降級UHF天線(xiàn)）。DUHF天線(xiàn)的同軸轉換開(kāi)關(guān)(D-UTCS)可以在DUHF和PUHF天線(xiàn)間選擇，RUHF天線(xiàn)同軸轉換開(kāi)關(guān)(R-UTCS)在RUHF和DUHF天線(xiàn)間選擇，如圖7所示。
好奇號在火星表面巡視探測期間主要利用環(huán)繞火星飛行的軌道器完成對地中繼通信，軌道器與地面之間采用X或Ka頻段通信，通信過(guò)程示意見(jiàn)圖8。
圖8 好奇號探測器中繼通信過(guò)程示意圖（以火星勘察軌道器為例）
數據中繼是火星表面探測器在火星表面工作期間對地科學(xué)探測數據的主要方式。目前環(huán)繞火星運行并可用于火星表面探測器中繼通信的軌道器主要包括NASA的火星奧德賽、火星勘察軌道器（MRO）、火星大氣與揮發(fā)物演化探測器（MAVEN）以及ESA的火星快車(chē)和痕量氣體軌道器等，見(jiàn)圖9所示。
圖9 現有用于火星表面探測器中繼通信的軌道器
承擔中繼任務(wù)的軌道器均配置了UHF收發(fā)信機、中繼轉發(fā)設備和高性能對地通信設備。如：NASA的火星勘察軌道器，它攜帶了一幅口徑3m的高增益天線(xiàn)，發(fā)射功率達到102W（X頻段）和35W（Ka頻段），用于對地的高速數據傳輸；ESA的痕量氣體軌道器攜帶了一幅口徑2.2m的高增益天線(xiàn)，最大發(fā)射功率達到65W。這些配置都有效保證了火星環(huán)繞和表面探測期間的科學(xué)探測數據輸出，為任務(wù)實(shí)施提供保障。
NASA深空測控支持設備
NASA執行好奇號測控任務(wù)的地面測控設主要包括其位于戈爾德斯通、勘培拉和馬德里70m和34m天線(xiàn)組成的深空網(wǎng)。雖然NASA的許多深空任務(wù)都可以使用多個(gè)34m天線(xiàn)組陣提高以下行接收能力，但火星距離地面的距離并不算特別遙遠，利用現有設備能夠滿(mǎn)足上下行數據傳輸需求，因此在任務(wù)中沒(méi)有使用天線(xiàn)組陣技術(shù)。NASA深空網(wǎng)主用設備見(jiàn)圖10所示。
為了適應我國月球和火星等深空探測任務(wù)需求，經(jīng)過(guò)科技人員的刻苦攻關(guān)，我國已建成了包括佳木斯66m、喀什35m和阿根廷35m三個(gè)深空測控站在內的全球布站的深空測控網(wǎng)（如圖11所示），各項技術(shù)指標達到國際先進(jìn)水平，使我國成為第三個(gè)具有全球布站深空網(wǎng)的國家。
2020年是火星探測活動(dòng)的窗口期，火星探測將成為今年國際航天發(fā)射活動(dòng)中的絕對亮點(diǎn)。7月，我國首個(gè)火星探測器將出征奔向深空，包括環(huán)繞器和著(zhù)陸巡視器，將一步實(shí)現火星繞、落、巡探測，其中環(huán)繞器環(huán)繞火星開(kāi)展科學(xué)探測并為巡視器提供中繼通信服務(wù)，著(zhù)陸巡視器在火星表面開(kāi)展巡視勘察。屆時(shí)，也將利用我國的深空測控網(wǎng)為其提供測控支持，首次實(shí)現對數億千米探測器的遙測、遙控和軌道測量。讓我們共同祝愿她順利登陸火星，為我們上演一部中國人導演的火星探測大片。
圖12 我國首個(gè)火星探測器示意圖
